射频识别技术漫谈 - 图文

其它公司生产的遵守ISO14443A标准的射频卡也称为“Mifare”,尤其是Mifare S50卡片，几乎就是ISO14443A标准的代言人。

至于“Mifare”这个名字的由来，据说1998年Philips收购了瑞士的米克朗(Mikron)公司，该公司之前开发了一套收费系统叫作MIkron FARE-collection System，即米克朗收费系统，简写为Mifare。

Mifare系列卡片有时也根据卡内使用芯片的不同，把Mifare UltraLight称为MF0，Mifare S50和S70称为MF1，Mifare Pro称为MF2，Mifare Desfire称为MF3。

Mifare系列的共同特征就是遵守ISO14443A国际标准，这些共同特征描述如下： 1.它们都是接近卡PICC（Proximity ICC），读写距离最大10cm。 2.它们的射频频率都是13.56MHz±7KHz。

3.这些卡片都是无源免接触的，能量由读写器产生的射频场提供。

4.读写器产生的射频场的磁场强度在1.5A/m～7.5A/m之间，卡片在这个场强区间内可以连续的正常工作。

5.卡片首先进入读写器的射频场得电完成初始化,之后等待读写器的命令。读写器与卡片的数据交流总是采用RTF模式,即读写器先发出命令,卡片在规定的时间内对命令作出应答,如果读写器没有命令,卡片无论如何也不能先发言。

6.读写器向卡片发送命令使用100% ASK调制的修正米勒(Modified Miller)码,卡片应答时使用副载波调制的曼侧斯特(Manchester)码。

7.卡片与读写器之间通讯的数据速率有4种:106Kbps,212Kbps,424Kbps,847Kbps。但在读卡选择命令(含)之前,通讯速率只能是106Kbps。读卡选择之后,卡片和读写器可以协商使用什么样的速率。106Kbps是怎么来的,它是载波频率13.56MHz除以128得来的，通俗的说法是“载波128分频”。

8.卡片未进入射频场时称为断电(Power-Off)状态，进入射频场得电复位后进入休闲(Idle)状态，收到读写器的呼叫命令后进入准备(Ready)状态，经过防冲突循环被选中后进入激活(Active)状态，在激活状态收到休眠命令或不认识的命令后进入休眠(Halt)状态。

9.这些卡片都有一个全球唯一的序列号，序列号的长度可能是4字节，7字节或10字节。当多张卡片同时进入读写器的射频场时，卡片们遵守面向比特的防冲突机制，由读卡器选出唯一的一张卡片进行操作。读写器操作完一张卡片后，可以发送休眠命令让这张卡片进入休眠状态，而读卡器继续对其他卡片进行操作。

10.这些卡片在卡选择(含)之前的操作步骤都是一样的，卡选择之后的操作就不一样了，比如有的需要验证密码，有的不需要，而且验证密码的方式也有区别。 11.从卡片进入磁场到卡片被选中要经过两步。

第一步是读写器呼叫磁场内的卡片，卡片对呼叫做出应答。

(1)由于磁场内可能有刚进入磁场并得电复位处于休闲状态的卡片，也可能有已经被读写器操作过，被读写器发送休眠命令进入休眠状态的卡片，对这两类不同的卡片，读写器使用两种不同的命令进行呼叫：卡请求(REQA,0x26)和卡唤醒(WAKE-UP,0x52)。

(2)其中卡请求(REQA)只能呼叫处于休闲(Idle)状态的卡片，卡唤醒(WAKE-UP)可以呼叫所有卡片，包括处于休眠(Halt)和休闲状态的卡片。

(3)收到卡呼叫命令后，卡片将对命令做出应答(Answer To Request,ATQA),告诉读写器自己是否遵守面向比特的防冲突机制，如果不遵守，读写器自然就不会往下操作了，除非双方约好了

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一种特殊的防冲突协议，不过那就不叫“遵守ISO14443A”了。ATQA有两个字节，第一个字节的值没有规定(RFU),第二个字节的高两位b7b6表示卡序列号长度(“00”为4字节，“01”为7字节，“10”为10字节)， b5位的值没有规定(RFU),b4-b0表示是否遵守面向比特的防冲突机制，如果遵守，b4-b0必须有且仅有1位为1。通常情况下，Mifare S50的ATQA是0004H，Mifare S70的ATQA是0002H，Mifare UltraLight的ATQA是0044H，Mifare Light的ATQA是0010H，Mifare Desfire的ATQA是0344H。业内习惯称ATQA为卡类型，并且称“Mifare S50的卡类型是0004H，Mifare S70的卡类型是0002H，Mifare UltraLight的卡类型是0044H，Mifare Desfire的卡类型是0344H??”，这种说法其实是不严谨的。已经出现了ATQA为0044H和0344H的卡片，但这种卡片并不是Mifare UltraLight和Mifare Desfire，而是一种新的7字节的Mifare S50。这很正常，因为ISO14443A中规定，ATQA的作用是卡片表明自己是否遵守面向比特的防冲突机制以及自身卡序列号的长度，并不是表示哪种类型的卡片。

(1)之所以把“防冲突”和“选择”放在一块说，是因为二者的命令码是一样的,区别在于命令码后面包含多少位已经确认的卡序列号。

(2)面向比特的防冲突机制每个防冲突循环需要32bit的卡号参加。读写器向所有参加防冲突的卡片发出一个防冲突命令码，并告诉卡片们已经确定了多少位卡序列号，让卡序列号前面部分与读写器发出的已经确认的序列号相同的卡片做出应答。

(3)如果已确认的卡序列号小于32位，就是防冲突命令，卡片将回送除了已确认卡序列号之外的剩余的卡序列号部分；如果已确认的卡序列号等于32位，就是卡选择命令了，被选中的卡片将作出对选择的应答(Select AcKnowledge,SAK)。

(4)防冲突和卡选择命令还有一个区别就是，卡选择命令有CRC_A校验，而防冲突命令没有CRC_A校验。

(5)如果卡片卡号是4个字节，防冲突选择的命令码是0x93。

(6)如果卡片卡号是7个字节，则要进行两个层次(cascade level)的防冲突选择，第一层(cascade level 1)的命令码是0x93；卡号的前3个字节参加；第二层(cascade level 2)的命令码是0x95，卡号的后4个字节参加。

(7)如果卡片卡号是10个字节，则要进行三个层次(cascade level)的防冲突选择，第一层(cascade level 1)的命令码是0x93,卡号的前3个字节参加；第二层(cascade level 2)的命令码是0x95，卡号的第4、5、6个字节参加；第三层(cascade level 3)的命令码是0x97，卡号的后4个字节参加。

(8)大家可能已经发现，前面说每个防冲突循环需要32bit的卡号参加，后面又说可以3个字节(24bit)参加，是不是前后矛盾？是的，为了凑够32bit，如果只有3个字节的卡号参加防冲突循环，则卡片自动在3个卡号字节之前增加一个字节0x88,这个0x88被称为层标签(cascade tag)，从而满足防冲突循环对32bit卡号的要求。

(9)每一层的防冲突选择循环如果卡被选中，卡片都要返回“选择应答”(Select

AcKnowledge,SAK),告诉读写器是否需要下一层的防冲突选择循环以及是否遵守ISO14443-4。 12.最后再次强调以上就是“共同遵守ISO14443A”的含义，也就是从卡片进入磁场到卡片被选中，它们的操作流程都是一样的。之后大家便分道扬镳，有的继续遵守ISO14443-4，有的开始验证密码，有的就直接可以进行读写操作了。

射频识别技术漫谈(12)——三次相互认证

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射频识别系统中由于卡片和读写器并不是固定连接为一个不可分割的整体，二者在进行数据

通讯前如何确信对方的合法身份就变得非常重要。根据安全级别的要求不同，有的系统不需认证对方的身份，例如大多数的TTF模式的卡片；有的系统只需要卡片认证读写器的身份或者读写器认证卡片的身份，称为单向认证；还有的系统不仅卡片要认证读写器的身份，读写器也要认证卡片的身份，这种认证我们称为相互认证。Mifare系列卡片中的认证就是相互认证。

最常见的认证是使用密码或者叫口令，就像特务见面，只要说对了口令(密码)就可以确信对方是自己人。直接说口令(密码)存在巨大的风险，万一被别人听到了后果不堪设想，所以最好不要直接说出密码，而是通过某种方式（运算）把密码隐含在一串数据里，这样不相干的人听到了也不知道什么意思。为了让隐含着密码的这一串数据没有规律性，对密码运算时一定要有随机数的参加。于是最常见的相互认证是双方见面时一方给另一方一个随机数，让对方利用密码和约定的算法对这个随机数进行运算，如果结果符合预期则认证通过，否则认证不通过。

“3”真是一个神奇的数字：做事的时候“三思而后行”才不会犯大错；刘备“三顾茅庐”才把诸葛亮请出山；TCP协议中经过“三次握手”就可以确信双方的连接是成功的。Mifare系列卡片采用的相互认证机制也被称为“三次相互认证”，如下图所示。

卡片认证读写器的合法性，先向读写器发送一个随机数，读写器用事先约定的有密码参与的算法对随机数进行运算，然后把运算的结果回送给卡片，卡片收到后检查这个结果对不对，如果对就通过认证，不对就没有通过认证，其情形就是上图中的图a。

读写器认证卡片也是向卡片发送一个随机数，卡片用事先约定的有密码参与的算法对随机数进行运算，然后把运算的结果回送给读写器，读写器收到后检查这个结果对不对，如果对就通过认证，不对就没有通过认证，其情形就是上图中的图b。

可见卡片和读写器认证对方时都是给对方一个随机数，对方返回对随机数的运算结果。这样的“一来一回”我们称之为“两次相互认证”。那么卡片与读写器互相认证就需要两个“一来一回”，应该称为“四次相互认证”才对啊？为什么是“三次相互认证”呢？上图中表现的很明显，

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读写器在回送对卡片随机数的运算结果时搭了一次便车，把自己认证卡片的随机数也一同送了过去，从而减少了一次数据传送，四次相互认证就变成了“三次相互认证”。

完整的相互认证过程如下：卡片先向读写器发送一个随机数B，读写器用事先约定的有密码参与的算法对随机数B进行运算，然后把运算的结果连同随机数A一起送给卡片，卡片收到后先检查读写器对随机数B运算的结果对不对，如果不对就不再往下进行，如果正确就对随机数A用事先约定的有密码参与的算法进行运算，然后把运算的结果送给读写器，读写器收到后检查这个结果对不对，如果对就通过认证，不对就没有通过认证，其情形就是上图中的图c。

认证的过程中多次提到“事先约定的算法”，到底是什么样的算法呢。这个没有具体规定，但有一个要求是必须的，就是这个算法一定要有密码和随机数的参与。比如Desfire中使用3DES算法，卡片的主密钥作为DES密钥对随机数进行DES运算。双方使用的“算法”以及“参加运算的密码”可以相同，也可以不同，这要看双方的约定。

认证完成后随机数也并不是就没有用了，这两个随机数的组合可以作为下一步操作的数据加密密钥，Desfire中就是这样。

射频识别技术漫谈(13)——Mifare S50与Mifare S70

Mifare S50和Mifare S70又常被称为Mifare Standard、Mifare Classic、MF1，是遵

守ISO14443A标准的卡片中应用最为广泛、影响力最大的的一员。而Mifare S70的容量是S50的4倍，S50的容量是1K字节，S70的容量为4K字节。读写器对卡片的操作时序和操作命令，二者完全一致。

Mifare S50和Mifare S70的每张卡片都有一个4字节的全球唯一序列号，卡上数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次。一般的应用中，不用考虑卡片是否会被读坏写坏的问题，当然暴力硬损坏除外。

Mifare S50和Mifare S70的区别主要有两个方面。一是读写器对卡片发出请求命令，二者应答返回的卡类型(ATQA)字节不同。Mifare S50的卡类型(ATQA)是0004H，Mifare S70的卡类型(ATQA)是0002H。另一个区别就是二者的容量和内存结构不同。

Mifare S50把1K字节的容量分为16个扇区(Sector0-Sector15)，每个扇区包括4个数据块(Block0-Block3，我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0~63)，每个数据块包含16个字节(Byte0-Byte15)，64*16=1024。 如下表所示：

扇区号 扇区0 扇区1 块号 块0 块1 块2 块3 块0 块1 块2 块3 厂商代码 密码A 存取控制 密码B 密码A 存取控制 密码B 块类型 厂商块 数据块 数据块 控制块 数据块 数据块 数据块 控制块 总块号 0 1 2 3 4 5 6 7 24